DE4200505C2 - Vorrichtungen zur Beobachtung und Regelung der Geometrie und/oder der Energieverteilung des mittels eines Laserstrahles auf einem zu bearbeitenden Werkstück erzeugten Strahlflecks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 3.

Die gattungsgemäßen Vorrichtungen sind aus der DD 01 54 135 als Schaltungs­ anordnung einer Meßeinrichtung für Laserstrahlen bekannt, die ohne in den Strahlengang einzubringende Nachweisscheiben die Existenz eines insbesondere unsichtbaren Laserstrahles erkennen lassen können soll. Dazu werden an einem Detektor strahlungsempfindliche Elemente für die beiden kartesischen Koordina­ tenrichtungen um den Mittelpunkt des Laserstrahls verteilt angeordnet und die beiden einander jeweils diametral gegenüberliegenden Elemente gegensinnig in Reihe geschaltet, so daß die resultierende Differenzspannung eine Justieranzeige für das Vorhandensein und die zentrische oder exzentrische Position des Laser­ strahls ansteuern kann. Das bedingt allerdings eine symmetrische Ansprechemp­ findlichkeit und dafür einen ganz erheblichen Abgleichaufwand an den Elementen des Detektors - was doch nicht ausschließt, daß die strahlungsempfindlichen Ele­ mente je nach ihrer thermischen Beanspruchung im Randbereich des unsichtbaren Laserstrahl-Querschnittes und je nach ihrer Alterungscharakteristik unterschied­ lich stark und schnell sich verändernde Ansprechcharakteristiken aufweisen. Das führt zu einer Verfälschung der Differenzspannung und damit der Positionsanzei­ ge. Mit dieser vorbekannten Vorrichtung ist deshalb keine zuverlässige Strahl­ querschnittsdiagnose sichergestellt, wie sie aber angestrebt wird, um in einer Ein­ richtung etwa gemäß DE 39 16 264 A1 zur Strahlführung bei der Laser- Werkstückbearbeitung eine definierte Energieverteilung im Fokusfleck auf der Werkstückoberfläche sicherstellen zu können.

Aus dieser DE 39 16 264 A1 ist es bekannt, zur Strahlführung bei der Laserstrahl- Oberflächenbehandlung eines Werkstückes die Leistungsverteilung des Strahl­ fleckes dadurch zu beeinflussen, daß im Strahlengang des Hochenergie- Laserstrahles wenigstens eine adaptive Optik angeordnet ist. Eine Fokussieroptik für eine Fokussierung wie bei Schweißaufgaben ist nicht vorgesehen. Somit be­ stimmt hier die Spiegeltopographie der adaptiven Optikeinrichtung nicht die Energieverteilung bei der Ausleuchtung einer Fokussieroptik, sondern unmittelbar die Energieverteilung auf dem Werkstück. Der dort hervorgerufene Strahlfleck auf der Werkstück-Oberfläche wird auf einen nicht näher spezifizierten Istwertge­ ber projiziert, der etwa als Infrarot-Bildaufnehmer ausgelegt ist. Der liefert Steu­ ersignale nach Maßgabe der momentanen Strahlfleck-Geometrie zur Ansteuerung von Piezostellgliedern hinter der lokal unterschiedlich verwölbbaren Spiegelflä­ che der in diesem Falle mehrkanaligen adaptiven Optikeinrichtung.

Bei einer aus der DE 40 06 622 A1 bekannten gattungsähnlichen Vorrichtung ist im Strahlengang des Laserstrahles ein strahlungsreflektierender Spiegel angeord­ net, von dem zumindest ein Anteil einer vom Werkstück in die Bearbeitungsoptik abgestrahlten Sekundärstrahlung einer dieser Sekundärstrahlung analysierenden Auswertungseinheit zugelenkt wird. Der strahlreflektierende Spiegel ist über den Reflexionsbereich für den Laserstrahl mit einem Beugungsgitter versehen, das eine vorbestimmte Beugungsanordnung der Sekundärstrahlung auf die Auswertungseinheit lenkt und im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung unwirksam ausgebildet ist.

Eine Laserstrahlmaschine mit einem Laseroszillator zur Erzeugung eines Laserstrahles, einem Bearbeitungskopf zum Aufbringen des Laserstrahls als Lichtpunkt auf ein auf einem Bearbeitungstisch befestigtes Werkstück und mit einer Steuereinheit zur Steuerung der Bewegung des Bearbeitungstisches in einer XY-Ebene ist aus der DE 40 00 420 A1 bekannt. Dort wird der Laserstrahl in bezug auf das Werkstück in Bearbeitungsrichtung geneigt gehalten, wodurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen mittels eines Laserstrahles ist aus der DE 39 07 758 A1 bekannt, wobei die Laserquelle mit konstanter, optimal dimensionierter Leistung betreibbar sein. Je nach den thermischen Anforderungen werden unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück durchgeführt.

Die DE 39 19 572 A1 offenbart eine bezüglich ihres Detektoraufwandes relativ sparsame Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahles, wobei die Vorrichtung eine Detektoreinrichtung aufweist, die als Infrarot-empfindlicher Detektor ausgebildet ist. Zur Fokussierung des Laserstrahls ist eine Linse vorgesehen, die teilreflektierend sein kann. Eine Auswerte- bzw. Regeleinrichtung dient bei dieser bekannten Vorrichtung dazu, Toleranzen der Vorrichtung und/oder das Intensitätsprofil des Laserstrahls bestimmen zu können.

Eine Einrichtung zur Erfassung eines Laserstrahls, d. h. zur Bestimmung der Ablage eines hochenergiereichen Laserstrahls von einer Sollstrahlachse ist aus der DE 38 40 278 A1 bekannt. Diese Einrichtung weist eine ringförmige Anordnung mit mehreren Thermoelementen auf, die zur Sollstrahlachse konzentrisch vorgesehen sind. Die Thermoelemente sind an eine Steuerschaltung angeschlossen, welche die bei Laserstrahl-Ablage entstehenden unterschiedlichen Spannungen der Thermoelemente auswertet. Die ringförmige Anordnung ist bei dieser bekannten Vorrichtung ortsfest.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art anzugeben, die mit einfachen Mitteln eine sehr exakte oder wenigstens eine angenäherte Vermessung des tatsächlich auf einem zu bearbeitenden Werkstück hervorgerufenen Laserstrahlfleckes ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine der in den Ansprüchen 1 oder 3 gekennzeichneten Vorrichtungen gelöst. Dabei wird im einen Falle der Strahlfleck selbst - vorzugsweise gefiltert auf eine Spektrallinie - auf eine Detektoranord­ nung aus konzentrischen Ringen projiziert, so daß der größte bei der Bestrahlung noch angeregte Ring den größten Durchmesser des Strahlfleckes auf dem Werk­ stück angibt; während im anderen Falle die Größe des Strahlfleckes durch seine thermische Abstrahlung mittels der radial diese Abstrahlung abtastenden Thermo­ elemente erfaßt wird. In letzterem Falle sind Abgleicherfordernisse und Alte­ rungserscheinungen unkritisch, weil infolge der verdrehbaren Halterung jedes Detektorelement (Thermoelement) nacheinander verschiedene Bereiche der Ab­ strahlung erfaßt; so daß andererseits die Bereiche nacheinander von unterschiedli­ chen Thermoelementen erfaßt werden, wodurch sich Alterungserscheinungen und ähnliche Fehlerquellen ausmitteln.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist es somit in apparativ einfacher Weise möglich, die Ausleuchtung der Fokussieroptikeinrichtung in einer Werk­ stück-Bearbeitungsmaschine zu beeinflussen, insbesondere zu optimieren.

Das aus der Strahldiagnoseeinrichtung gewonnene Ausgangssignal kann die ad­ aptive Optikeinrichtung, welche die Ausleuchtung der Fokussieroptik vorzugsweise konstant hält, einkanalig ansteuern. Die Konstanthaltung der Ausleuchtung der Fokussieroptik ist bspw. durch sphärische Verformung der Oberfläche realisierbar.

Eine preisgünstige Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung also wird erzielt, wenn die Strahldiagnoseeinrichtung mit einer Anzahl entlang eines zum Laserstrahl senkrecht orientierten Ringelementes gleichmäßig verteilte, radial in das Zentrum des Ringelementes orientierte Thermoelemente aufweist, wobei das Ringelement in seiner Umfangsrichtung um sein Zentrum und damit um den Laserstrahl drehbar ist und wenn die Thermoelemente in radialer Richtung verstellbar sind. Eine solche Strahldiagnoseeinrichtung ist einfach realisierbar und in vorteilhafter Weise platzsparend in einen Bearbeitungskopf einer entsprechenden Maschine integrierbar. Auch mit ihr sind Beobachtungen bzw. Ausmessungen eines Laserstrahlfleckes möglich.

Eine andere Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Detektor aufweist, der mit einer Anzahl ringförmiger, konzentrischer Detektorelemente ausgebildet ist, wobei jedes Detektorelement einen zugehörigen Signalausgang besitzt. Wenn dem Detektor ein Spektralfilter vorgeordnet ist, ist es möglich, das Bild des Strahlfleckes des Laserstrahls auf einem zu bearbeitenden Werkstück, d. h. das Bild des Laserstrahl-Fokusses spektralgefiltert auf dem Detektor abzubilden. Auch eine solchermaßen ausgebildete Strahldiagnoseeinrichtung kann platzsparend am Bearbeitungskopf einer entsprechenden Maschine vorgesehen sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung der Vorrichtung zur Beobachtung und Regelung der Geometrie und/oder der Energieverteilung eines Laserstrahls auf einem zu bearbeitenden Werkstück,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung der Vorrichtung gemäß Fig. 1, und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer anderen Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung für die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung die Vorrichtung 10 zur Beobachtung und Regelung der Geometrie- und/oder der Energieverteilung eines mittels eines Laserstrahles 12 auf einem zu bearbeitenden Werkstück 14 erzeugten Strahlfleckes 16. Der Laserstrahl ist in dieser Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet, er wird mittels einer Fokussieroptikeinrichtung 18 zum Strahlfleck 16 fokussiert. Eine adaptive Optikeinrichtung 20 ist mit der Fokussieroptikeinrichtung 18 wirkverbunden, was durch den Pfeil 22 angedeutet ist. Mit Hilfe der adaptiven Optikeinrichtung 20 ist die Bestrahlung der Fokussieroptikeinrichtung 18 wunschgemäß verformbar, um den Laserstrahl 12 auf dem zu bearbeitenden Werkstück 14 zu fokussieren. Eine Strahldiagnoseeinrichtung 24 ist zur Beobachtung und Regelung der Geometrie und/oder der Energieverteilung des Strahlflecks 16 auf dem Werkstück 14 vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die Strahldiagnoseeinrichtung 24 der Fokussieroptikeinrichtung 18 zugeordnet.

Die Strahldiagnoseeinrichtung 24 weist einen Signalausgang 28 auf, der mit der adaptiven Optikeinrichtung 20 wirkverbunden ist. Diese Wirkverbindung ist in der Fig. 1 durch den Pfeil 30 verdeutlicht.

Die Strahldiagnoseeinrichtung 24 kann zur Ausleuchtung der Fokussieroptikeinrichtung 18 vorgesehen sein. Dabei ist die adaptive Optikeinrichtung 20 zweckmäßigerweise zur Konstanthaltung der Ausleuchtung der Fokussieroptikeinrichtung 18 vorgesehen.

Die Strahldiagnoseeinrichtung 24 kann ein Ringelement 32 aufweisen, an dem - wie aus Fig. 2 ersichtlich ist - eine Anzahl Thermoelemente 34 äquidistant beabstandet und in radialer Richtung orientiert vorgesehen sind. Jedes Thermoelement 34 weist einen Ausgang 36 auf. Das Ringelement 32 mit den Thermoelementen 34 ist derart angeordnet bzw. ausgerichtet, daß der Laserstrahl 12 durch das Zentrum des Ringelementes 32 verläuft und das Ringelement 32 bzw. die Thermoelemente 34 zum Laserstrahl 12 senkrecht ausgerichtet sind. Das Ringelement 32 mit den Thermoelementen 34 ist in seiner Umfangsrichtung, d. h. um den Laserstrahl 12 herum drehbar, was in Fig. 2 durch den bogenförmigen Doppelpfeil 38 angedeutet ist. Die Thermoelemente 34 selbst sind jeweils voneinander unabhängig in radialer Richtung in bezug auf das Ringelement 32 und folglich in bezug auf den Laserstrahl 12 verstellbar, was durch die Doppelpfeile 40 angedeutet ist.

Mit einer solchen Strahldiagnoseeinrichtung 24 ist es preisgünstig relativ exakt möglich, die Geometrie und/oder Energieverteilung eines Laserstrahlfleckes 16 auf einem zu bearbeitenden Werkstück 14 zu beobachten und entsprechend der in Fig. 1 in einer Blockdarstellung schematisch angedeuteten Vorrichtung 10 passend zu regeln.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung 24, die einen Detektor 42 mit einer Anzahl Detektorelemente 44, 46, 48, 50, 52, . . . aufweist, welche zueinander konzentrisch vorgesehen sind. Jedes Detektorelement 44, 46, 48, . . . ist mit einem zugehörigen Signalausgang 54, 56, 58, 60, 62, . . . versehen.

Dem auch in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 42 bezeichneten Detektor der Strahldiagnoseeinrichtung 24 kann ein Spektralfilter 64 vorgeordnet sein.

Bei einer Veränderung der Geometrie- bzw. des Durchmessers des Strahlfleckes 16 des Laserstrahles 12 auf dem Werkstück 14 ergibt sich eine Veränderung der Abbildung des Strahlfleckes 16 auf dem Detektor 42. Diese Veränderung ist im Durchmesser zur Veränderung des Strahlfleckes 16 gleichsinnig. Der Detektor 42 kann bspw. siebzehn ringförmige Detektorelemente aufweisen. Je nach der Größe des Strahlfleckes 16 (sh. Fig. 1) werden von diesen N = 17 Elementen (N-i) Detektorelemente ausgeleuchtet, wobei i < N ist. Somit ist es möglich, den Parameterwert i aus dem Detektor 42 als Ausgangssignal auszuführen und in einer externen Einrichtung zu zählen. Eine Vergrößerung des Strahlfleckes bedeutet eine Vergrößerung des Parameterwertes i, und umgekehrt. Das aus dem Detektor 42 ausgegebene, dem Parameter i entsprechende Ausgangssignal kann dann zur Ansteuerung der adaptiven Optikeinrichtung 20 (sh. Fig. 1) und damit zur Regelung verwendet werden.

Mit einem solchen Detektor 42 ist eine Bestimmung bzw. Auswertung der Geometrie des Strahlfleckes 16 durch ein einfaches Auszählen der an den Signalausgängen 54, 56, 58, . . . anliegenden Ausgangssignale mittels einer einfachen Elektronikeinrichtung möglich. Bei nicht kreissymmetrischen Abmessungen des Strahlfleckes 16 gibt die Signalhöhe des entsprechenden i-ten Detektorelementes ein Maß für den Grad der Strahlfleck-Verformung, d. h. ein Mag bspw. für seine Elliptizität. Die Auswertung derartiger nicht kreissymmetrischer Foki 16 ist jedoch komplexer als die Auswertung kreissymmetrischer Foki 16. Zur Auswertung nicht kreissymmetrischer Strahlflecke 16 ist die in Fig. 2 gezeichnete und weiter oben beschriebene Strahldiagnoseeinrichtung 24 mit Ringelementen 32 und Thermoelementen 34 vergleichsweise besser geeignet als die zuletzt beschriebene Ausbildung mit konzentrischen Detektorelementen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Beobachtung und Regelung der Geometrie und/oder der Energieverteilung des mittels eines Laserstrahles (12) auf einem zu bear­ beitenden Werkstück (14) erzeugten Strahlflecks (16), wobei der Laserstrahl (12) mittels einer in einer Bearbeitungsoptik vorgesehenen Fokussieropti­ keinrichtung (18) zum Strahlfleck (16) fokussiert wird und wobei der Fo­ kussieroptikeinrichtung (18) eine Strahldiagnoseeinrichtung (24) zugeordnet ist, auf der das Bild des Strahlflecks (16) des Laserstrahles (12) auf dem Werkstück (14) abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldiagnoseeinrichtung (24) einen Detektor (42) aufweist, der mit einer Anzahl konzentrischer Detektorelemente (46, 48, 50, 52, . . .) ausgebildet ist, wobei jedes Detektorelement einen zugehörigen Ausgang (56, 58, 60, 62, . . .) besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor (42) ein Spektralfilter (64) vorgeordnet ist.

3. Vorrichtung zur Beobachtung und Regelung der Geometrie und/oder der Energieverteilung des mittels eines Laserstrahles (12) auf einem zu bear­ beitenden Werkstück (14) erzeugten Strahlflecks (16), wobei der Laserstrahl (12) mittels einer in einer Bearbeitungsoptik vorgesehenen Fokussieropti­ keinrichtung (18) zum Strahlfleck (16) fokussiert wird und wobei der Fo­ kussieroptikeinrichtung (18) eine Strahldiagnoseeinrichtung (24) zugeordnet ist, die im Strahlengang des Laserstrahles (12) angeordnet ist und Detektor­ elemente aufweist, die radial in Richtung auf das Zentrum des Strahlengan­ ges zu orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldiagnoseeinrichtung (24) ein zu dem Strahlengang senkrecht orientiertes Ringelement (32) mit gleichmäßig verteilten, radial in das Zen­ trum des Ringelementes (32) orientierten Thermoelementen (34) aufweist, wobei das Ringelement (32) den Strahlengang des Laserstrahles (12) kon­ zentrisch umgibt und in seiner Umfangsrichtung um sein Zentrum drehbar ist, und wobei die jeweils mit einem zugehörigen Signalausgang (36) ausge­ bildeten Thermoelemente (34) in radialer Richtung verstellbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ringelement (32) mindestens drei Thermoelemente (34) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldiagnoseeinrichtung (24) zur Ausleuchtung der Fokussieropti­ keinrichtung (18) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß adaptive Optikeinrichtung (20) zur Konstanthaltung der Ausleuch­ tung der Fokussieroptikeinrichtung (18) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptive Optikeinrichtung (20) mit einem elektronischen Signalaus­ gang (28) der Strahldiagnoseeinrichtung (24) verbunden ist.